基于第一性原理和AIMD（原子分子动力学）方法对碱金属LiX·3H?（其中X=Fe、Cr）氢化物进行综合研究，以探讨其在氢储存领域的应用潜力

《International Journal of Hydrogen Energy》：Comprehensive first-principles and AIMD study of alkali metal LiX 3H 8 (X = Fe, Cr) hydrides for hydrogen storage applications

基于第一性原理，系统研究了LiFe?H?和LiCr?H?的结构稳定性、电子特性、力学性能及储氢能力，发现两者均具有磁金属特性、脆性各向异性结构及优异的储氢性能（4.42-4.71 wt%），其中LiFe?H?的脱氢温度更高（332,936 K vs 322,601 K）。

　　这项研究围绕锂基氢化物材料LiX?H?（其中X为Fe和Cr）的结构、电子、弹性、热力学、热学、氢储存以及离子扩散特性展开，采用了基于密度泛函理论（DFT）的计算方法。研究不仅评估了这些材料的动态、热力学、机械和热稳定性，还通过分析各向异性指数（A）和Pugh比值（B/G）来揭示其机械行为的脆弱性和各向异性特征。此外，电子结构的分析表明这些氢化物表现出磁性金属特性，这为它们在氢储存以外的其他应用提供了可能性。研究进一步探讨了这些材料的热学性质和氢储存能力，确认它们在高温环境下的适用性以及卓越的储存性能。

研究团队通过计算得到了LiFe?H?和LiCr?H?的重量氢储存容量分别为4.42 wt%和4.71 wt%。值得注意的是，LiFe?H?的氢解吸温度为332,936 K，高于LiCr?H?的322,601 K。这一发现不仅有助于深入理解这些氢化物材料的特性，还为构建适用于氢储存的新材料提供了理论依据和指导方向。研究结果展示了这些氢化物在固态氢储存系统中的潜力，同时也强调了其在能源应用方面的价值。

近年来，随着全球能源需求的持续增长，化石燃料在能源结构中占据主导地位，导致全球二氧化碳排放量显著增加，进一步加剧了全球变暖和生态系统的破坏。为了应对这些环境和能源挑战，氢被视为一种可靠的能源储存系统的重要替代方案。在众多储存方法中，基于氢吸收材料的固态储存技术因其高密度、高重量储存能力和较低的解吸温度而受到广泛关注。当前，对这些氢化物的研究展现出令人鼓舞的前景，可能加速向可持续能源经济的转型。

然而，尽管锂基氢化物具有许多优点，仍然存在一些挑战需要解决，例如较高的解吸温度、有限的可逆性和在氢循环过程中结构的不稳定性。因此，有必要探索新的锂基氢化物系统，并评估其热力学、机械和动态行为，以识别符合固态氢储存系统严格要求的材料。近年来，许多理论和实验研究集中于提高氢化物的氢储存能力，例如使用DFT方法，M. Archi等人研究了用于氢储存的钙钛矿结构RbSiH?、RbGeH?和RbSnH?。这些材料由于其金属特性以及良好的机械和动态稳定性，对氢的扩散表现出较强的促进作用。虽然它们的储存能力尚未达到美国能源部（DOE）的指标（介于1.460 wt%和2.590 wt%之间），但其强度仍使其在某些应用中具有吸引力。

在更早的研究中，Yifei Du等人对氢化物钙钛矿LiRhH?、NaRhH?、KRhH?和RbRhH?进行了全面的理论回顾，分析了它们的物理特性。对于氢储存，这些氢化物钙钛矿材料具有一定的优势，包括高介电常数、高折射率、良好的机械、热力学和动态稳定性，以及促进氢扩散的金属特性。LiRhH?和NaRhH?以其延展性、高刚性和对变形的卓越抵抗力而著称。它们还表现出合理的解吸温度（分别为415.6 K和363.7 K）和较高的储存能力（分别为2.610 wt%和2.290 wt%）。这些特性使得这些材料成为高性能氢储存系统的有前景的候选者。

Md Rabbi Talukder对特别设计用于氢储存系统的新型立方钙钛矿RbZnH?、RbNbH?和RbRuH?进行了详细的DFT计算。这些氢化物立方钙钛矿材料表现出卓越的热学、机械和动态稳定性。它们的氢储存能力范围在1.590 wt%至1.980 wt%之间，同时具有较高的体积储存能力，分别为80.880 g H?/L、73.730 g H?/L和88.270 g H?/L。这些材料的可逆性良好，其解吸温度范围在317 K至501 K之间。由于其刚性和硬度，这些材料成为固态氢储存的理想选择，确保了长期的耐用性。

Noura Dawas Alkhaldi对氢化物Li?CuAlH?和Na?CuAlH?进行了另一项DFT研究，这些材料的氢储存能力分别为5.490 wt%和4.250 wt%，体积储存能力分别为47.670 g H?/L和43.120 g H?/L。它们还表现出优异的结构、热力学和机械稳定性。从电子特性来看，Li?CuAlH?表现出良好的延展性，其带隙值为0.710 eV和0.840 eV，使其在光电应用中具有优势。此外，Li?CuAlH?因其热电性能（ZT值分别为0.740和0.440）而成为热能转化为电能技术的典范，这使其适用于能源和氢储存的双重场景。

在本研究中，我们使用CASTEP程序，基于DFT方法，对LiX?H?（X为Fe和Cr）氢化物的结构、电子、弹性、热力学和氢储存特性进行了全面分析。通过文献回顾可以发现，LiX?H?（X为Fe和Cr）尚未有相关的理论或实验研究。因此，本计算研究将提供关于这些材料物理特性的精确洞察，以便将其整合到氢储存系统中。为了便于理解，本研究被分为四个部分。首先，我们简要概述了研究目标，并将其与同一年的研究进行比较。其次，我们描述了所采用的过程和计算方法，这些构成了本研究的重要组成部分。第三部分讨论和分析了氢储存材料的结构、声子、热力学、弹性以及电子特性。最后，对计算结果进行了总结。研究结果将鼓励科学家进一步进行这些氢化物材料的理论和实验研究，为相关领域的文献积累做出重要贡献。

从整体来看，这项研究填补了对LiX?H?（X为Fe和Cr）氢化物材料的研究空白，通过评估其在固态氢储存中的潜力，揭示了其结构和性能特征。虽然复杂的金属氢化物已经引起了越来越多的关注，但它们的稳定性关键因素，尤其是电子结构、机械完整性、热力学行为以及H?离子扩散之间的关系，仍然缺乏深入理解。据我们所知，此前尚未有研究使用混合功能方法对这些材料进行如此全面的分析。本研究首次对这些材料的电子、机械、声子、热力学和离子输运特性进行了综合评估，为它们的稳定性和在能源应用中的适用性提供了新的见解。这些材料的特性不仅在理论层面具有重要意义，也为未来材料设计和开发提供了重要的参考价值。